《Bioact. Mater.》北京中医药大学王鹏龙：天然小分子无载体可注射水凝胶实现激光介导的光-类芬顿抗肿瘤治疗

近期，北京中医药大学中药学院王鹏龙教授在科爱创办的期刊Bioactive Materials上发表研究文章：该团队基于传统中药临床使用经验，开发了一种由铜离子介导的甘草酸和去甲斑蝥素自组装形成的天然小分子无载体可注射水凝胶，通过凋亡、铜死亡和抗炎协同调控肿瘤微环境，提高肿瘤的化学动力学治疗效率，在工业化生产和临床转化中具有良好的应用前景。

01

肿瘤微环境（TME）在肿瘤的发生、增殖、侵袭和转移中起着重要作用，是癌症治疗面临的主要挑战，越来越多的研究针对其弱酸性（pH 6.5-7.0）、H2O2过表达、乏氧和严重的炎症等特点来制定治疗策略。一些具有芬顿/类芬顿效应的金属离子可在弱酸性条件下与H2O2反应生成活性氧致细胞凋亡，同时产生氧气对抗乏氧，有效调节TME，因而被广泛应用于肿瘤的化学动力学治疗（CDT）。CDT联合炎症调节因具高特异性、低副作用和无创性而成为一种有希望的肿瘤治疗新策略。但是，在开发用于CDT和炎症调节的生物材料中，有研究表明纳米颗粒在静脉注射后只有很小一部分可以达到肿瘤部位，这可能会对正常组织和器官造成不必要的毒性；水凝胶大多使用透明质酸、海藻酸盐等高分子材料作为载体，这些高分子载体在TME中的炎症调节效果通常弱于甘草酸等小分子抗炎药，且载体的介入可能导致载药量低、生物降解性和生物相容性差以及潜在的副作用等，这些都是阻碍工业化生产和临床转化的重要因素。

因此，针对以上问题，本研究基于中医临床用药经验，开发了一种具有CDT特性的铜离子介导的天然小分子无载体可注射水凝胶（NCTD Gel），通过细胞凋亡、铜死亡和抗炎协同调控肿瘤微环境，发挥抗肿瘤作用。铜是所有生物体必需的微量元素，也是明代《本草纲目》中抗肿瘤传统药物铜绿的主要成分，具类芬顿效应，广泛应用于肿瘤的CDT治疗。近期研究报道，细胞中过量铜导致的铜死亡是不同于铁死亡和细胞凋亡的一种新型细胞死亡方式，为肿瘤治疗的发展开辟了一条新的途径。甘草酸为中药甘草的主要活性成分，具有良好的抗炎作用，且由于其结构特性在水中具有自组装行为，在材料学领域也具有广泛的应用。而在中成药复方斑蝥胶囊中，甘草和斑蝥配伍用于临床抗肿瘤治疗，斑蝥中主要药效成分斑蝥素的去甲基化衍生物——去甲斑蝥素，也为临床治疗肝癌、胃癌等的有效抗癌药物。我们发现铜离子、甘草酸和去甲斑蝥素在水溶液中可形成三元共组装水凝胶，且制备工艺简单、绿色、经济，不含任何辅料，是一种很有前景的CDT肿瘤治疗策略。

图1：NCTD Gel的自组装机制及通过细胞凋亡、铜死亡和抗炎调控肿瘤微环境示意图

一、NCTD Gel的形态和力学表征

NCTD Gel对外部环境变化表现出多重响应性，无论是温度升高到80℃还是剧烈晃动都会触发凝胶-溶胶的转变，但在室温下几分钟后便恢复凝胶状态。加入化学干扰剂EDTA表明，NCTD Gel中含有金属配位键。SEM显示二元GA-Cu Gel为不规则的块状结构，而三元NCTD Gel为边缘规则的球形颗粒，二元到三元之间形态的转变表明成功构建了一种铜离子介导的三元共组装体系。流变学研究显示，NCTD Gel具有粘弹性、可注射性、稳定性、剪切变稀性、可愈合性等良好的材料学性质，在生物医学领域具有良好的靶向给药和缓控释放应用潜能。

图2：NCTD Gel特征

二、NCTD Gel自组装机制

结合等温滴定量热法、紫外光谱、红外光谱、圆二色谱、核磁共振氢谱及分子动力学模拟结果，提出了NCTD Gel的自组装机制：即NCTD Gel是由GA葡萄糖醛酸上的羧基与Cu2+之间的配位作用、GA葡萄糖醛酸上的羟基与NCTD的羧基之间的氢键作用形成的。随后，三聚体进一步组装成高阶聚集体，这些聚集体交联形成均匀的球形颗粒，宏观表现为具有优异流变性能的可注射水凝胶。

图3：NCTD Gel自组装机制

图4：NCTD Gel的分子动力学模拟

三、体外肿瘤微环境调节能力与抗肿瘤效应

NCTD Gel一方面和TME中过量的H2O2反应生成Cu+和O2，同时O2可以对抗TME中的乏氧；另一方面，Cu+进一步降解H2O2生成·OH，进而杀伤肿瘤细胞，且808 nm激光照射可显著增强其细胞毒性。此外，NCTD Gel还能消耗细胞中的GSH以保护生产的活性氧，更好地发挥抗肿瘤作用。

图5：NCTD Gel对肿瘤微环境的调节能力及细胞毒性

四、体内抗肿瘤作用

使用Hepa 1-6荷瘤小鼠评价NCTD Gel的体内抗肿瘤作用。治疗13天后，各组小鼠体重相近，表明无明显毒性。NCTD Gel + 激光治疗组抑制肿瘤效果最好，肿瘤组织明显变小甚至消失，无复发，显示出良好的抗肿瘤作用。瘤内GSH含量测定结果与细胞内结果一致，证明NCTD Gel在体外肿瘤细胞和体内肿瘤组织上均产生了类芬顿效应。动物活体成像结果显示，NCTD Gel由于具有良好的粘弹性和稳定性，可在肿瘤内滞留较长时间，并通过调节TME和诱导凋亡而发挥长效抗肿瘤作用。

图6：体内抗肿瘤活性

五、抗肿瘤机制研究

NCTD Gel可以调节细胞凋亡及转移（CD44、ICAM-1和RAPGEF3）、铜死亡（FDX1、DLD、DLAT、PDHA1）和炎症（IL-1β、TNFAIP8L2、IL-1RN、IL-6、TNF-α）相关的基因和蛋白。证实三元自组装水凝胶NCTD Gel具有促进肿瘤细胞凋亡、铜死亡和抗炎的三重功能，可在抑制肿瘤的增殖、侵袭和转移中发挥重要作用。

图7：RNA-seq 和 qPCR 分析

02

北京中医药大学中药学院中药化学2020届硕士研究生。主要从事中药药效物质基础研究。

北京中医药大学中药学院教授，博士生导师。入选国家高层次人才特殊支持计划—“万人计划”青年拔尖人才、北京市科技新星、中华中医药学会青年托举人才、北京中医药大学壶天青年学者、北京中医药大学首届“科研拔尖人才”等；担任中华中医药学会中药化学分会副主任委员、国家中医药管理局中药化学重点学科后备学科带头人等。围绕“基于弱键化学探究中药复方物质基础及其配伍机制”研究方向，攻关中药复方物质基础及其配伍机制关键科学问题，以第一或通讯作者在ACS Nano、Bioactive Materials、Acta Pharmaceutica Sinica B、Small等发表SCI论文70余篇，授权专利3项，原创性证实中药超分子是复方物质基础的重要组成部分，且与中药配伍增效减毒机制密切相关，研究亮点两次被国家自然科学基金委报道。

03

04

Wenmin Pi, Linying Wu, Jihui Lu, Xiaoyu Lin, Xuemei  Huang, Zhijia Wang, Zhihua Yuan, Hailing Qiu, Jianglan Zhang, Haimin Lei,  Penglong Wang*. 

A metal ions-mediated natural small molecules carrier-free injectable hydrogel achieving laser-mediated photo-Fenton-like anticancer therapy by synergy apoptosis/cuproptosis/anti-inflammation. 

Bioactive Materials, 29 (2023) 98-115. 

DOI: 10.1016/j.bioactmat.2023.06.018

来源：BioactMater生物活性材料